基于PLC立体仓库

1、1前言高层货架仓库简称高架仓库，一般是指采用几层，几十层乃至几十层高的货架存储单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库入库和出库作业的仓库，由于这类仓库能充分利用空间存储货物，故形象的将其称为“立体仓库”。立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库，1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一做计算机控制的立体仓库，此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代初期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，称为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。我国对自动化立体仓库及

2、其物料搬运设备的研制并不晚，1963年研制成第一胎桥式堆垛起重机（机械部北京起重运输机械研究所），1973年开始演示我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械起重所负责），该库1980年投入使用，到2003年为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于很高的空间利用率，很强的入出库能力，采用计算机经行控制管理而利于企业实施现代化管理特点，已成为企业物流和生产管理不可或缺的仓储技术，越来越受到企业的重视。自动化立体仓库是由立体货架、有轨巷道堆垛机，出入库托盘输送机系统，尺寸检测条码阅读系统、通讯徐彤，自动控制系统，计算机监控系统，计算机管理以及其他如无线电缆桥架配电柜，托

3、盘，调节平台，钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统，运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制，总线，通讯和信息技术，通过以上设备的协调运作，按照用户的需要完成制动货物的自动有序，快速精准，高效的入库出库作业。与传统的货物仓库相比，自动化仓库具有许多突出的功能，主要包括以下四个大方面：大大提高空间利用率，应用先进物流系统优化企业生产管理，加快货物存取，减轻劳动强度，提高生产效率，减少库存资金积压。而且使用立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使得存储区大幅度向高空发展，提高了空间利用率，自动化立体仓库采用层级式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的

4、自然老化，变质和损坏，通过自动化存储系统，加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，减低操作人员的劳动强度，采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗，低温，污染，有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要，计算机控制能够始终确保无误的对各种信息经行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错，同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员水平。2

5、立体仓库控制系统总体设计2.1设计思想（1）系统功能及运行方式立体仓库具有车间的物流管理及作业调度和堆垛机的自动控制功能，在立体仓库中物流工作站主机采用PIII计算机，多任务实时操作系统，ORACLE数据库，TCP/IP网络支持软件，C语言编程，实现了对立体仓库的动态管理和作业监控，堆垛机控制系统采用可编程序控制器，使用梯形图语言编程，控制系统与管理监控系统之间实现联机通讯，其堆垛机控制系统具有多种功能，可慢速该物流系统的要求，控制系统见图（2）多种控制及作业方式为了实现立体仓库的自动存取，就必须开发堆垛机控制器，这套系统具有三种不同级别的控制方式：（1）在线自动运行，（2）离线自动运行，（3

6、）人工手动运行。而实际运行中以在线自动运行方式为主，其他两种方式作为调试和维修能的堆垛机作业方式，如：入库，出库，搬库，直接出库，库外拣选入库，库内拣选入库，库外拣选出库，库内拣选出库和调到指定位置等十几种作业方式，在线自动运行时，控制器接受物流工作站的作业命令，对作业运行速度，动作，存取等经行控制，并且具有一系列安全连锁保护功能，作业完成或发生故障时则返回相应的信息，以等待后续处理。（3）多种检测及保护功能本系统中具有水平和垂直方向的认址检测，左右的货位探测，两种货物高度的检测，货物不正的检测以及载货台占位置、空间情况的检测。另外，还具有货叉位置，机电故障检测，水平及垂直终点附近的限速及停车

7、检测等，可以保证堆垛机作业的正常运行，以上检测大部分是光电检测，提高了可靠性和反应速度。2.2立体仓库的控制系统总体结构图在物流中有三条辊道传输带，三个出入货站台，一个四自由度机械手，一个全自动堆垛机以及两排货架组成，将系统中的传感器，执行器和空编程控制器链接，通过编制相应的程序，就可以用可编程控制器来控制物流工序。立体控制系统分为三个部分:辊道控制，机械手控制，堆垛机控制。在设计该控制系统时，采用两台PLC作为立体仓库的控制装置，其中#1PLC主要用来控制辊道部分和堆垛机部分，#2PLC主要用来控制四自由度机械手，2台PLC通过CC-LINK网络连通，通过在两台PLC间的数据交换实现三个被控

8、部分之间的协调动作，实现综合控制。在控制系统中配置了一台上位机，通过RS-232与PLC相连，上位机一方面用于两台PLC控制程序的编辑，下载及调试，另一方面，上位机用来监视，管理自动化立体仓库体统。在此系统中使用三个变频器分别来靠你告知三个辊道传送带的运转。辊道可以在正、反两个方向运转，可以根据进货和出货的需要来使用辊道，经行自由组态，变频器有很高的运行可靠性和功能多样性，减低了电动机运行的噪声，全面而完善的保护功能为电动机提供了良好的保护性能。对四自由度机械手的控制时，执行部件使用的是2相8拍混合式步进电机，X轴伸缩，Z轴升降，地盘回转和机械手腕回转分别使用四个步进电动机，使用两个步进电动机

9、分别控制堆垛机的升降和行走，而货叉控制使用直流电动机为执行元件。对这六个步进电动机的控制实际上是对它们对用驱动器的控制。2.3主要器件简介（1）PLCPLC是近年来发展极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置，它将传统的继电器控制技术，自动化技术，计算机控制技术和通信技术融为一体专门为工业控制而设计，具有可靠性高，功能强，编程简单，使用方便，环境适应性好以及体积小，功率消耗低等特点，具有基本控制功能，显示监控功能等，可以满足对工业生产经行见识和控制的绝大多数场合的需要。PLC最常用的语言是面向控制的梯形图语言，它采用了与实际电气原理图非常接近的图形编程方式，易学易用。（2）传感器信息处理技术取得的

10、进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发面有相应的进展，微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用，随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。（3）堆垛机堆垛机是整个自动化立体仓库的核心设备，通过手动操作，半自动操作或全自动操作实现把货物从一处搬运到另一处。它由机架（上横梁，下横梁，立柱）水平行走机构，提升机构，载货台，火车及电气控制系统构成。1）堆垛机形式的确定：堆垛机形式确定多种多样，包括单轨巷道式堆垛机，双轨巷道式堆垛机，转巷道式

11、堆垛机，单立柱型堆垛机，双立柱型堆垛机等。2）堆垛机速度的确定：根据仓库的流量要求，计算出堆垛机的水平速度，提升速度及货叉速度。3）其他参数及配置：据仓库现场情况及用户的要求选定堆垛机的定位方式，通讯方式等。堆垛机的配置可高可低，视具体情况而定。4）更具物流图，合理选择输送机的类型，包括：辊道输送机，链条输送机，皮带输送机，升降移栽机，提升机等，同时，还要根据仓库的瞬时流量合理确定输送系统的速度。5）其他辅助设备根据仓库的工艺流程以及用户的一些特殊要求，可以适当增加一些辅助设备，包括：手持终端，叉车，平衡吊等。6）初步设计控制系统及仓库管理系统（WMS）的各功能模块根据仓库的工艺流程及用户的要

12、求，合理设计控制系统及仓库管理系统，控制系统及仓库管理系统一般采用模块化设计，便于升级和维护。7）仿真模拟整台系统在有条件的情况下，对整套系统经行仿真模拟，可以对立体仓库的贮运工作经行较为直观的描述，发现其中的一些问题和不足，并作出相应的更正，以优化整个AS/RS系统。2.4自动化仓库系统的关键技术自动化仓库的自动寻址立体仓库的自动寻址就是寻找存放、提取货物的位置。计算机控制的自动化仓库都具有自动寻址的功能。在同一巷道内的货位地址由三个参数组成：第几排货架，第几层货格，左侧或者右侧，当自动化仓库接受到上级管理机的存取指令和存取地址后，即向指定货位的方向运行，运行中，安装在堆垛机上的传感器不断检

13、测位置信息，计算判断是否到位。自动识别系统AS/RS的货物管理基本是技术是对货物经行自动识别和跟踪，自动识别时指在没有人工干预的情况下对物料流动过程中的某一活动关键特性的确定，每一关键特性都与生产活动有关，这些关键特性包括产品的名称，数量，设计，质量，物料来源，目的地，体积，重量和运输路线。这些数据被采集处理后，能用来确定产品的生产计划，运输路线，路程，库存，存储地址，销售生产，库存控制，运输文件，单据和记账等，货物信息可以通过声，光，磁，电子等多种介质获取，具体实现时，是在生产的关键部位配备自动识别装置，将每一处所获取的信息经过计算机网络系统传输，并经行统一处理，从而实现整个生产过程中对物料

14、的信息跟踪。现代生产物流系统中，广泛采用条形码自动识别技术，这是因为条形码具有读取快，精度高，使用方便，成本低，适应性好等优点。控制系统是自动化仓库运行成功的关键，没有好的控制，系统运行成本就会很高，而效率很低，为了实现自动运转，自动化仓库内使用的各种存取设备和输送设备本身必须配备各种控制装置。这些控制装置种类较多，从普通开关和继电器，到微处理器，单片机和可编程控制器，根据各自的设定功能，速度控制，货叉控制以及方向控制等。所有这些控制器都不许通过各种控制装置去实现。控制系统对搬运设备,运输设备进行自动控制，他是自动化仓库的核心部分之一，直接关系到仓库作业的正常经行，因此，控制系统中所采用的材料

15、，设备，传感器和元件都应该采用可靠性高，寿命长，易于维护和更换的产品，否则将存在安全隐患。堆垛机的控制现多采用模块化控制方式，驱动系统议案为交流电机，无级调速。这种方式技术成熟，应用广泛，既能实现堆垛机的高速运行，又能平稳进行停车对位。在控制系统中，还应采取一系列自检和连锁保护措施，确保在工作人员操作错误时不发生事故。对机械及电器故障进行判断，报警和向主机系统传递故障信息。控制系统应能适应多种操作方式需要。监控调度系统监控系统是自动化仓库的信息枢纽，是实现自动化仓库实时控制的重要组成部分。它在整个系统中起着举足轻重的作用，负责协调系统中各个部分的运行。自动化仓库系统使用了很多运行设备，各设备的

16、运行任务，运行路径，运行方向都需要由监控系统来统一调度，监控调度系统根据主机系统的作业命令，按运行时间最短，作业间的合理配合等原则对作业的先后顺序进行优化组合排队，并将优化后的作业命令发送给各个控制系统，对作业进程，作业信息及运行设备进行实时监控。计算机管理系统计算机管理系统是自动化仓库的指挥中心，相当于人的大脑，它指挥着仓库中各个设备的运行，它主要完成整个仓库的作业管理和账目，并负担着与上级系统的通信和企业信息管理系统部分任务，自动化仓库的信息管理是基于现代信息管理理论和现代控制理论而创立的一个分支，对于一个自动化仓库来说，它可以是独立的，但对于一个企业，它又是其管理信息系统（MIS）的一个

17、子系统。它不仅对信息进行处理，也对物流进行管理，集信息流和物流于一体，是现代化企业的核心。自动化仓库管理系统的主要功能是对仓库所有入，出库活动进行最佳登录和控制，并对数据进行统计分析，以便能使决策者及早发现问题，采取相应的措施，最大限度地降低存量，加快货物流通，创造经济和社会效益。3.立体仓库控制系统硬件设施3.1机械手部分的控制四度自由机械手为圆柱坐标型，可以实现X轴伸缩，Z轴升降，地盘，腕回转功能，驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。机械手主要完成从3台辊道输送带到立体仓库出货台之间货物传递。Z轴：最大移动距离420MMX轴：最大移动距离420MM底盘回转：最小控制角0.9度，

18、最大回转角小于等于300度机械手工作原理机械手伸缩，升降，转盘抓手运动都是由步进电机驱动器来控制，型号为SH-2H057。其步进电机驱动器输入脉冲和电平信号是由PLC上NC111模块来提供。其他电路原理图如图4所示。（1） 本驱动器输入信号共有3路，分别是步进脉冲信号CP，方向电平信号DIR，脱机信号FREE。他们驱动器内部分别270欧姆限流电阻接入负输出端，且电路形式完全相同。OPTO端为3路信号公共正端（3路光耦正端输入），3路输入信号驱动器内部接成共阳方式，OPTO端须接外部系统VCC,VCC是+5V则可以直接接入，VCC+5V则需要外部另外加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15

19、MA驱动电流。（2） MC111模块工作原理C200-NC111是C200PC用于位置控制智能单元。它可以为步进电机驱动器或伺服电机驱动器输出磁脉冲，以控制运动部件位置和速度。3.2堆垛机设计堆垛机工作条件1）堆垛机正常工作的环境温度范围为-5度至40度，在24H内平均温度不超过35度，在40%的温度条件下，相对湿度不超过50%，温度较低时相对湿度可以高一些。2）堆垛机工作环境的污染等级应在国家规定范围之内。3)供电电网进线电源为频率是50HZ，电压是380V的三相交流电，电压波动的，允许偏差为+-10%。堆垛机的结构堆垛机是自动化立体仓库的主要作业机械，负担着出库，进库，盘库等任务，是自动化

20、立体仓库的核心部件，自动化立体仓库的发展就是以堆垛机的发展为主要标志的。巷道式堆垛机基本结构主要由机架，运行机构，起升机构，载货台，货叉，电器设备及各种安全保护装置等部分，主要包括行走，升降和货叉三部分，三维立体存取，准确地依照上位机给出的出入库地址将货物取出或放入有关货位，并将工作过程的状态信息反馈给监控系统。为了简化堆垛机的设计，我采用一个模型，如图堆垛机运行半闭环控制方案是，在实践中发展起来的一种有效的控制方案，在考虑现场各种实际情况及经济性的情况下，通过实验来确定各种运行曲线，这些曲线存储在变频器里，当主控机得到上位机发出的当前任务的目的地址和当前地址时，通过比较要运行的起止距离，用P

21、LC对变频器的运行曲线经行变换，达到调速和停准的目的，从而得到的一种比较满意结果的控制方式。在这种控制方案中，速度采用闭环控制，由变频器完成；位移则是采用开环控制。堆垛机的半闭环控制原理如图所示堆垛机速度控制的难点就在于其运行的起止位置的不确定性和惯性较大，为保证设定变频器为高速运行，距离目的货位46M时设定为中速运行，距离目的货位12M时切换到低速运行，接近目的货位时自动切换为对位速度运行，对正货位后走行停止。在综合考虑经济性和运行性能的情况下，堆垛机半闭环控制的硬件配置如图所示因为在主控机PLC，变频器，光电开关之间需要频繁的交换数据，所以变频器，光电开关都挂PROFIBUS-DP总线上，

22、这是一种高速现场总线，最大通信速率为12MBIT/S，传输可靠性高，可以满足现场需要。3.3传感器的选择在该立体仓库控制系统中采用8个欧姆龙系列对射式传感器作限位控制：4只对射式光电传感器分别作为X，Y轴的限位控制，当入光时输入晶体管ON；2只对射式光电传感器分别作为货架在X轴和Y轴的到位检测，当遮光时输出晶体管ON，如果货架未到达正确位置，Z轴电机将不能运行以确保当PLC程序出错时也不至于损坏设备；2只对射式光电传感器作为Z轴的限位控制，当遮光时输出晶体管ON，其信号对应PLC的输出点时X4和X5.3.4自动化立体仓库消防系统设计自动化立体仓库是无人仓库，针对库房内物品运输和储存时可能发生火

23、灾的特点，消防系统的总体方案设计应贯彻“预防为主，防消结合”的方针，立足自防自救，使库区内发生的隐然火患和明火能及时探知和报警，对局部火灾能自动扑灭，对万一酿成的火灾有扑救设施。3.5PLC的选型FPO系列PLC是超小型机，I/O点数最大可扩展到256点。它有内置8K步的RAM，使用存储卡盒后，最大容量可扩大到16K步。编程指令达327条。PLC运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08US。它不仅能完成逻辑控制，顺序控制，模拟量控制，位置控制，高速计数等功能，还能做数据检索，数据排列，三角函数运算，平方根以及浮点数运算，PID运算等更为复杂的数据处理。所以FPO系列PLC具有容量大，运行速

24、度快，指令功能完善等特点。在FPO系列PLC基本单元上，可链接扩展单元，扩展模块以及各种功能的特殊单元，特殊模块，还可以在基本单元左侧接口上，链接一台功能扩展板。完成FPO些列PLC与各种外部设备的通信，实现模拟量设定功能。通过功能扩展模板还可将FPO系列适配器与FPO基本单元连接，增强PLC与外部设备的通信功能。结合本系统用到的最大点数是堆垛机的PLC，故决定选用一个型号为松下FPO的PLC作为基本器件。3.6PLC的I/O资源配置（1）机械手I/O资源配置4自由度机械手以及全自动堆垛机采用步进电机经行控制，需要输出高速脉冲，故采用晶体管型PLC，并留有10%至20%的裕量，所以机械手I/O

25、资源配置如下3.7 I/O连接图4立体仓库控制系统软件设计4.1控制软件结构流程图的设计可以给人以最直观的感觉，使读者一目了然，思路清晰，它能反映整个运行及控制过程的脉络，为软件设计提供了参考依据。由堆垛机的工作过程可知：一个工作循环（以取货为例）中包括11个阶段：选择仓库号位，所选仓号位物品，0号位没有物品，选取指令，X轴和Y轴步进电机运行至该仓库，Z轴正转将伸竿伸入取货，Y轴步进电机抬起，Z轴电机运行至0号位。所以，该控制过程有一个初始步，11个工作步。流程图如下把每次作业的完成情况及现场信息反馈给上级计算机，并接收上级计算机发来的作业命令。由于在控制过程中来自上级计算机和现场的信息量比较

26、大，因此，各部分之间的协调工作是极为重要的。在整个软件中，通过有关运行标志的判断，设置和清除，按照一定的工作顺序完成各个动作，并对一些动作的处理采取了特殊措施。另外，还分别对不同的干扰经行了软件方面的滤波，消除了这些干扰对系统运行的不良影响。4.2实时监控系统4.3故障处理在启动时，系统首先检查自身的各种状态，执行自我诊断功能，当所需状态正常时才开始工作。本控制系统中具有一系列故障报警，安全保护以及部分故障的自动处理功能，其故障情况可分为三类。（1） 出现故障后，面板发出提示，并返回给物流工作站信息，但系统可以继续工作，如“数据设定错误”，“作业数据重复”等需要重新设定或重新发送。（2） 出现

27、故障后，面板发出提示，并返回给上位机信息，停止堆垛机运行，等待人工处理。如“机电故障”，“认址器故障”等。（3） 出现故障后，面板发出提示，并返回给上位机信息，系统可以自动处理。如“载货台状态错”，“存货占位”等。本系统的安全保护能保证在任何人为性误操作或通信数据错误的情况下不发生事故。但实际上，此处是厂房的立柱，是禁止作业的，否则将发生事故。当操作员启动堆垛机时，堆垛机将不运行，并提示“数据错误”，等待操作员修改数据后重新作业。4.4通信功能块本系统中监控机下位机PLC控制器通信采用总线型的拓扑结构，与PLC交换作业信息，应答信息，查询信息。监控机与下位机PLC的通信接口采用RS232C串行

28、通信方式，波特率为9600BPS，7位数据位，2位校验位（偶校验）。4.5管理软件设计本系统设计时遵循人机工程学基本原则，编程时按照模块化设计的思想对组成系统的各功能模块经行了精心组织。考虑到系统扩充，留有一定的扩展功能和其它系统接口。鉴于系统设计的简化原则和现场功能要求的考虑，本仓库系统的主要功能有用户选择，用户管理，库存管理，货位管理，出入库管理，字典管理，报表打印，数据维护等功能模块。其中出入库管理是自动化立体仓库管理监控系统中的核心模块，作用是实现上位监控机堆垛机控制器PLC的直接管理与监控，从而完成仓库系统的各项作业（如整箱出库，整箱入库，拣选出库，添加入库等）。系统设计时为方便用户操作，尽可能给用户提示，以便误操作造成康库数据的紊乱